候风地动仪

候风地动仪是世界上第一架测验地震的仪器。由中国东汉时期的科学家张衡发明于汉顺帝阳嘉元年（公元132年），《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明。候风地动仪用精铜制作而成，员径八尺，汉八尺约合当今之一米八-九的样子，其外形像一个酒樽。地动仪里面有精巧的结构，主要为中间的都柱和它周围的八套牙机装置。候风装置候风摆的周围与8组牙机机械装置之一部关相互靠近。此处为底座上的沟槽，叫八道。工作原理是侯风摆运动到关的位置触发牙机。就是记载的“施关发机”施读音易四声。再机发吐丸。在樽的外面相应地设置8个龙首，口含小铜丸，每个龙头下面都有一只蟾蜍张口向上。如果有地震被检测，都柱之内候风摆则轻微摆动，此即可触发牙机。使相应的龙口张开，小铜珠即落入蟾蜍口中，由此便可知道地震发生的时间和方向。牙机的触发需求小到可以在地震波第一时间运作，称为合契若神。

牙机是由一对杠杆构成。水平杠杆负责龙口开合，直立的负责牙机触发。由于牙机立杆和候风摆的位置关系，由关连接。关就是牙机立杆的一部分。关注道内水平状，几乎挨到候风摆之上，距离之近不到一毫米。这是候风地动仪得以成功的关键。此外，张衡还设计了一套机械反馈装置，叫“巧制”。这套设计利用反馈的办法，阻止了候风部件的连续摆动。巧制设计比西方出现机械反馈设计早很多年。^[1]

历史记载

在中国科学史上，没有什么比候风地动仪更为引人注目。它的发明者是东汉时期伟大的科学家张衡。《后汉书·张衡传》详细记载了张衡的这一发明：“阳嘉元年，复造候风地动仪，以精铜铸成。员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，旁行八道，施关发机。外有八龙，首衔铜丸，下有蟾蜍，张口承之。其牙机巧制，皆隐在尊中，覆盖周密无际。如有地动，尊则振，龙机发，吐丸而蟾蜍衔之，振声激扬，伺者因此觉知。虽一龙发机，而七首不动，寻其方向，乃知震之所在。验之以事，合契若神。自书典所记，未之有也。尝一龙机发，而地不觉动，京师学者咸怪其无征，后数日驿至，果地震陇西，于是皆服其妙。自此以后，乃令史官记地动所从方起。”显然，所谓候风地动仪，是用来测报地震的仪器。围绕这一名称，学界曾有不同意见。一种认为候风地动仪包括了候风仪和地动仪两种仪器，“候风仪”是用于测风的，“地动仪”才是用于测地震的。另一种观点则认为，所谓“候风”，即是“候气”，古人认为地震是由于地“气”变动所引起的，所以叫“候风地动仪”。从引文来看，“候风地动仪”应为一件仪器，而不是两件。这里我们把它作为一件仪器进行介绍。根据引文，“候风地动仪”制成于东汉阳嘉元年（132年），是用精铜铸造的。仪体形状就像汉代酒樽。樽上装饰有篆文山龟鸟兽之形，樽的内部立一根铜柱，张衡称之为都柱。都柱周围有八条滑道，称为“八道”。仪体的外部装有八条龙，分布在八个方位，龙口各含铜丸一个，龙头下方各放置一个张口向上的铜蛙（蟾蜍）。仪体内部装有机关，与体外龙头相连，一旦发生地震，机关被触发，龙口打开，铜丸落入铜蛙口中，发出声音，使掌管人知晓，并能判明地震来源的方向。显然，地动仪是利用“地震产生推（拉）力使地面物体发生位移”的特性制成的仪器。张衡通过自己巧妙的设计，使地震时仪体与都柱之间产生相对运动，利用这一运动触发仪内机关，从而将地震报出。张衡地动仪的灵敏度很高，《张衡传》列举了一个具体例子：曾有一次，地动仪朝向西边的那条龙突然吐丸，但当时洛阳城里并无震感，人们议论纷纷，都说地动仪不可靠。过了几日，送信人来到洛阳，报告说甘肃发生了大地震，大家这才信服了地动仪的精妙。

结构分析

早在南北朝时，北齐信都芳撰《器准》，隋初临孝恭作《地动铜仪经》，都对之有所记述，并传有它的图式和制作方法。可惜的是唐代以后，二书均失传。今人的研究则以王振铎之说影响最大。王振铎根据前人的猜测，讨论了地动仪内部可能有的各种结构，最后推断都柱的工作原理与近代地震仪中倒立式震摆相仿。具体说来，都柱就是倒立于仪体中央的一根铜柱，八道围绕都柱架设。都柱竖直站立，重心高，一有地动，就失去平衡，倒入八道中的一道。八道中装有杠杆，叫做牙机。杠杆穿过仪体，连接龙头上颌。都柱倾入道中以后，推动杠杆，使龙头上颌抬起，将铜丸吐出，起到报警作用。(图右)

推断：中国历史博物馆陈列的张衡地震仪模型，就是根据王振铎的设计复原的。但是，也有学者提出不同意见。中国科学技术大学李志超就曾对倒立摆结构提出过异议，他以全新的视角，提出了自己对候风地动仪的理解（参见李志超，《天人古义》，河南教育出版社，1995年版）。中国湖南省南县职业中专学校教师黄佑军在教研教改中进行了“教学中的科研”尝试，对惯性摆结构提出不同意见，他依据古代地听技术，提出了自己对张衡地动仪的诠释。

科学发明

它比欧洲出现地震仪的时间要早一千五百年左右。但由于实物的失传以及原始文献记载的简略，使得今人对其内部结构有不同的理解，这是正常的。但无论如何，张衡的地动仪具有很高的灵敏度，这是大家一致的意见。在此基础上，通过精心的分析考证、广泛的学术讨论以及合理的模拟实验，这个问题一定能够得到解决。

结构模型

关于地动仪的结构，目前流行的有两个版本：王振铎模型（1951年），即“都柱”是一个类似倒置酒瓶状的圆柱体，控制龙口的机关在“都柱”周围。这一种模型已被基本否定。另一种模型由地震局冯锐（2005年）提出，即“都柱”是悬垂摆，摆下方有一个小球，球位于“米”字形滑道交汇处（即《后汉书·张衡传》中所说的“关”），地震时，“都柱”拨动小球，小球击发控制龙口的机关，使龙口张开。另外，冯锐模型还把蛤蟆由面向樽体改为背向樽体并充当仪器的脚（见上图）。该模型经模拟测试，结果与历史记载吻合。

这两个模型的基本理论都是错误的。张衡地动仪的工作原理是以古代“候气”的理论，即“葭灰占律”的方式，所以称为“候风地动仪”。张衡地动仪的工作原理不能用现代知识去诠释，更不能只关注它的尊体。 “都”即固定，是针对远古逐水草而居所言，“都柱”即固定的柱，用来感受来自地下的地震波，张衡用“候气”的原理把这种“波”定义为“风”，所以称它为“候风地动仪”。“候”，如果是读过包括《后汉书律历志》在内的古代文献，完全能够理解“候”在这里的含义。其具体制作方法和工作原理是：在选定的位置深埋入地一根大柱，像远古人们建房时的草房的中心柱，这个柱子用来感应来自地层的地震波。为了避免地面环境对“都柱”的影响，在适当的深度把柱周围掏空，或者先掘土井，然后将大柱埋入压实，距离地面相当距离使柱体与井壁分离，避免来自地面影响对“都柱”的干扰。柱顶收缩为一个有凹面或空心管的顶端。顶端凹面或空心管上置一铜球，铜球直径和顶端凹面或空心管直径可以根据灵敏度需要制定，这就克服了“倒立柱”制作中摩擦系数的难题。都柱顶端放置铜球，犹如旗杆顶端的装饰圆球。在“都柱”开始收缩处，按东、南、西、北、东南、西北、西南、东北八个方向伸出八条轨道。当埋入地下的“都柱”感受到地震波在地层中传播时，会使都柱产生相应的位移。都柱受力位移，位于都柱顶端的铜球中心偏离重心，向力量来源相反方向脱落，都柱四旁八条伸向不同方向的轨道之一承接并导引向相应方位，触动龙口机关，龙口所含铜珠吐出，从而判定地震来源方向。

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